ВЕТРОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Прямое набегание пoтока. Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.



Рис. 1.2. Типы парусных крыльев:
а — наиболее старинный тип с двусторонним расположением крыла (около 1600 г.): 1 — клинья; 2 — срезанный конец; 3 -мах; б — традиционная форма старинного датского типа (одна опорная полка вынесена вперед): 1 — убирающееся полотнище паруса; 2 — опорная полка; 3 — передняя кромка; 4 — концевая планка; 5 —продольные связи; 6 — рейка; в — крыло с жалюзи и воздушным тормозом; 1—жалюзи; 2 — тормозные жалюзи; г — крыло с жалюзи и щитком: 1— жалюзи; 2 — щиток.


Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до многолопастных (с числом лапастей до 50 н более). Для снижения изгибающих нагрузок у корпя лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.



Рис. 1.3. Типы ветроприемных устройств;
а — с горизонтальной осью вращения: 1 — однолопастное ветроколесо; 2 — двухлопастное; 3— трехлопастное; 4— многолопастное; 5 —многолопастное велосипедного типа; 6—барабанное; 7 — ветроколесо, направленное навстречу потоку; 8—ветроколесо, расположенное по потоку (за башней); 9 — ветроколесо с пневматической передачей мощности; 10 — парусное крыло; 11 — ветроколесо с диффузором; 12 — ветроколесо с концентратором энергии; 13— многоветряковое с несколькими ветроколесами; 14 — ветроколеса встречного вращения; 15— ротор Савоннуса; 16 — ветроколесо, использующее энергию свободных вихрей; 6 —с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления: 1 — ротор Савоииуса;. 2 — ротор Савоннуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный; в — с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы: 5 — ротор Дарье 0-образный; 6 — ротор Дарье Д-образный; 7—-ротор с прямыми крыловыми лопастями (Giromill); 8 — ветротурбина; г —с вертикальной осью вращения комбинированного типа; 9 — роторы Дарье 0-образиый и Савоииуса; 10—ротор Савоннуса щелевой: 11 — ротор с использованием эффекта Магиуса; 12— с несущими поверхностями; д — с вертикальной осью вращения других типов: 13 — ветроколесо с дефлекторным устройством; 14 — солнечно-ветровое устройство; 15 — ветроколесо с турбиной Вентури; 16 — ветроколесо с вихревым устройством.

Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой хорд. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
Поверхности лопастей обычно состоят из свернутого в рулон паруса, который скользит над трубчатой передней кромкой и тросом и растягивается при натяжении троса. Аэродинамическое качество парусного крыла примерно такое же, как и у обычных жестких лопастей воздушного винта, а масса меньше примерно на 50%. Размеры парусного крыла ограничиваются допускаемыми напряжениями в материале; его диаметр не превышает 9 м.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес.

Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости. Из рис. 1.4 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.

Перпендикулярное направление действия ветра па установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.



Рис. 1.4. Типовое семейство ветродвигателей с горизонтальной осью вращения при среднегодовой скорости ветра. 7,6 м/c:
1 — на территории, удаленной от побережья; 2 — на побережье (D — диаметр ветроколеса, м).

Источник: Ветроэнергетика/Под ред. Д. де Рензо - М. Энергоатомиздат, 1982

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ПРОГРАММА США

Энергия ветра обеспечивала значительную часть энергетических потребностей сельского хозяйства США до тех пор, пока Административный совет по сельской электрификации Rural Electrification Administration, (REA) не создал в середине 30-х годов в сельских местностях системы централизованного электроснабжения. Однако с возникновением энергетического кризиса возродился интерес к использованию энергии ветра в различных областях. В результате этого федеральное правительство поддержало и ускорило принятие программы создания энергетических систем, в состав которых входили бы ветроэлектрические установки (ВЭУ) (WECS — Wind Energy Conversion System), которые смогли бы к 2000 г. удовлетворить существенную часть энергетических потребностей США.

Для решения этой задачи в течение ряда последующих лет должна быть разработана серия экспериментальных ВЭУ мощностью от 100 кВт до нескольких мегаватт. Можно предположить, что эти разработки должны опираться на научные и инженерные исследования опытных многоагрегатных систем, мощность которых возрастает от 10 до 100 МВт. Применительно к работе ВЭУ большой мощности в энергосистеме исследования проводятся начиная с 1980. г. При этом основное внимание в федеральной программе обращено па использование ВЭУ для получения электроэнергии. Наряду с этим предусматривается их применение для добычи топлива, получения теплоты, сушки зерна и производства минеральных удобрений.


Имеется целый ряд факторов, с учетом которых разрабатываются и используются ВЭУ и которые нашли отражение в федеральной программе, К ним относятся еще точно не известные капитальные вложения и эксплуатационные расходы, экономическая эффективность применения ветродвигателей - различных типов, затраты на сооружение ВЭУ, влияние их па окружающую среду и приемлемость в различных общественных условиях, а также различные юридические и общественные проблемы, которые могут возникать при использовании ВЭУ.

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС США

В настоящее время в топливно-энергетическом балансе США 40 % составляет доля нефти, из них 14 % импортируемая, 33 % натуральный газ, 20 % уголь, 4 % гидроэнергия и 2 % атомная энергия. Остающийся 1 % дают синтетическое топливо, нефтеносные сланцы, геотермальная и солнечная энергия и энергия ветра.

В течение нескольких ближайших десятилетий в США ожидается снижение добычи нефти и природного газа, в то время как потребность в энергии имеет тенденцию к увеличению. Если считать, что оценки выполнены достаточно точно, то к 2000 г. энергопотребление возрастет до значений, эквивалентных примерно 6 трлн. кВт-ч/год


Рис. Оценка потребления энергии в США за период 1840—2000 гг.;
1 — суммарное потребление энергии в США; 2 — использование энергии ветра; 3 - - возможное использование энергии ветра; 4- потребление энергии в сельском хозяйстве; 5 - период энергетического кризиса.


Источник: Ветроэнергетика/Под ред. Д. де Рензо - М. Энергоатомиздат, 1982

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Ветер возникает на Земле при неравномерном нагреве ее поверхности Солнцем. В течение дня воздух над большими водными поверхностями остается сравнительно холодным, так как большая часть энергии солнечного излучения расходуется на испарение воды или же поглощается ею. Над сушей, которая меньше поглотает солнечные лучи, чем вода, воздух нагревается в течение дня больше, он расширяется, становится легче и поднимается вверх. Его заменяет более плотный холодный воздух, расположенный над водой. Так в прибрежной зоне возникают бризы.

В течение ночи их направление над прибрежными водами меняется на обратное, так как суша охлаждается быстрее воды и соответственно снижается температура расположенного над ней воздуха. Холодный воздух, движущийся к морю, вытесняет нагретый, который поднимается с поверхности воды. Аналогично наблюдаются бризы со стороны гор в течение дня, когда теплый воздух поднимается вдоль склона, нагретого Солнцем. Ночью сравнительно холодный воздух со склона стекает в долины.

Подобная циркуляция воздушных масс в земной атмосфере наблюдается при большем нагреве поверхности Земли вблизи экватора, чем в районах полюсов. Ветер над холодной поверхностью, дующий от полюсов к экватору, замещает горячий воздух, который поднимается в тропиках и перемещается в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсам.

Вращение Земли также влияет на циркуляцию се воздуха. Силы инерции, которые действуют на холодный воздух, движущийся вблизи поверхности по направлению к экватору, стремятся закрутить его в западном направлении. В то же время тяжелый воздух, движущийся в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсу, имеет тенденцию к повороту на восток. Эта циркуляция воздуха на большом пространстве вокруг зоны пониженного давления происходит в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки в северном полушарии, и по часовой стрелке — в южном. Так как ось вращения Земли наклонена под углом 23,5° к плоскости ее вращения вокруг Солнца, то сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от Солнца, зависят от изменений в эти периоды скорости и направления ветра на данном участке земной поверхности.

Энергия, которая непрерывно поступает от Солнца и преобразуется в кинетическую энергию ветровых потоков на Земле, соответствует, по оценкам, суммарной мощности свыше 10м ГВт. Исходя из этого комиссия -экспертов организации National Science Foundation (NSF) и Управление National Aeronautics and Space Administration (NASA) в 1972 г. оценила потенциальные ресурсы («запасы») энергии ветра над континентальной частью США, Алеутскими островами и Восточным побережьем эквивалентными примерно 105 ГВт электрической мощности. Это более чем в 30 раз превышает суммарные энергетические потребности США в 1980 г. и более чем в 100 раз электрическую энергию, вырабатываемую в США в настоящее время.

Задачи и проблемы ветряной энергетики

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Распространившаяся в 1973 г. угроза нехватки невозобновляемых источников энергией и рост зависимости от импортируемого топлива привели к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии.

Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы—технические и связанные с охраной окружающей среды. Следует также признать, что наибольшие препятствия для использования ветроэнергетических установок создает их высокая стоимость. Эти препятствия будут меньшими, если по критерию стоимости вырабатываемой энергии ветроэнергетические установки смогут конкурировать с установками, использующими другие источники энергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остается разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при периодическом обслуживании.

О развитии ветряной энергетики

С начала 70-х годов в ряде развитых капиталистических стран приступили к разработке и реализации долговременных национальных энергетических программ, направленных па эффективное удовлетворение потребностей в энергии и преодоление энергетического кризиса за счет собственных ресурсов. Поскольку нефтяное топливо становится все более дефицитным, проблема решается путем изыскания способов существенного улучшения использования традиционных видов топлива, повышения КПД энергетических установок, нахождения принципиально новых методов получения и преобразования энергии, расширения масштабов использования нетрадиционных энергоресурсов.

Такая стратегия характерна для многих стран, однако особенности экономики, научно-технический потенциал, географические, климатические и другие условия определяют в разных странах ведущую роль тех или иных составляющих долговременных энергетических программ.

В рамках этих программ большое значение придается возобновляющимся энергоресурсам, в первую очередь энергии Солнца и ветра, теплоте земных недр. Работы по их использованию и повышению эффективности соответствующих установок проводятся в США, Великобритании, Канаде, Франции, ФРГ, Швеции. Дании и в других странах. В последние годы значительное внимание применению ветровых и солнечных установок уделяют многие развивающиеся государства. По неполным данным ЮНЕСКО И Мировой энергетической конференции (МИРЭК) в 1979 г. только на исследования в этой области по программам, разработанным и принятым в 63 странах, израсходовано более 500 млн. долл., из которых 60% приходится на долю США.

Интенсивно разрабатываются проблемы развития нетрадиционной энергетики в нашей стране. Они решаются в рамках комплексных научно-технических программ, разрабатываемых под руководством Государственного комитета СССР по науке и технике и реализуемых различными министерствами и ведомствами. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, принятых XXVI съездом КПСС, предусмотрено увеличить масштабы использования 0 народном хозяйстве возобновляющихся источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной) и совершенствовать методы преобразования и передачи энергии. Чтобы на практике ускорить решение этих задач, расширяются фундаментальные и прикладные исследования, разрабатываются проекты более эффективных технических средств, ведется строительство опытных установок.

Успехи, которые имеются в решении перечисленных проблем, прогнозы развития использования нетрадиционных источников энергии указывают на перспективность этого направления и на то, что к концу века за счет этих энергоресурсов можно будет обеспечивать значительную часть энергетических потребностей человечества. По оценкам специалистов разных стран доля энергии, получаемой за счет использования энергии Солнца и ветра, в общем мировом энергобалансе за 20 лет может возрасти до 5—7 %, а в некоторых странах, расположенных в особо благоприятных регионах, еще выше.

В энергетических программах разных стран предусмотрен значительный объем исследований и разработок в области ветроэнергетики. Они направлены на выбор наиболее перспективных зон и районов, характеризующихся высоким потенциалом энергии ветра, разработку методов эффективного применения ветроэнергетических установок (ВЭУ), создание новых технических средств и снижение их стоимости с целью существенного улучшения экономических показателей и повышения надежности энергоснабжения потребителей, обеспечение высокой конкурентоспособности ВЭУ при сравнении с тепловыми и гидравлическими электростанциями и агрегатами.

В этих разработках акцепт делается на создание установок большой мощности (примерно от 100 кВт до 2—3 МВт), предназначенных для выработки электрической энергии, при этом рассматриваются наиболее перспективные схемы их использования — параллельная работа в энергетических системах. Разработка таких установок представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу, решение которой требует выполнения большого комплекса теоретических и экспериментальных исследований, опытно-конструкторских работ и технологических разработок, а также обоснования методов организации промышленного производства ряда сложных подсистем ВЭУ, в первую очередь ветро-колес большого диаметра, электрического оборудования, механизмов привода и управления, устройств контроля и автоматизации режимов работы.

Сложность решения многих задач обусловила привлечение к ним в ряде зарубежных стран, в частности в США, крупных фирм, проектно-конструкторских организаций и университетов, ученых и квалифицированных специалистов в области энергетики, аэродинамики, надежности, электротехники, систем управления и др. Некоторые разработки осуществляются по комплексным планам международного сотрудничества, в ходе которых происходит также широкий обмен научно-технической информацией.

Это нашло, в частности, отражение в том, что за последние 7—8 лет значительно возросло количество публикаций по различным вопросам ветроэнергетики, в первую очередь относящимся к крупномасштабному использованию энергии ветра для производства электрической энергии. Из книг, опубликованных в 1979— 1980 гг., наибольший интерес представляют: «Windenergie. Eine systenianalytische Bewertung des technischen und wirtschaftlichen Potentials fur die Stromerzeugung der Bundesrepublik Deutschland» L. Jarass, L. Hoffmann, A. Larass, G. Obermair. Heidelberg, 1980, S. 272, и настоящая книга, посвященная новейшим разработкам, проведенным главным образом в США в области использования энергии ветра, русский сокращенный перевод которой предлагается вниманию советского читателя.

Следует заметить, что по некоторым вопросам (как правило, не очень принципиальным или относящимся к методологии) взгляды советских ветроэнергетиков и подходы, изложенные в обзоре, не являются идентичными. Это вызвано рядом причин, в том числе различием в социальных, географических и других условиях в СССР и США. Такое положение с оценкой ряда концепций не должно смущать читателя, а напротив, позволяет на основе сопоставления мнений лучше уяснить сущность явлений, подходов и результаты разработок.

В качестве одного из примеров можно привести тот факт, что в обзоре рассматривается главным образом гидроаккумулирование энергий ветра, а применению весьма перспективного водородного аккумулирования, т. е. производству водорода за счет использования энергии от ветроустановок и последующему его сжиганию в тепловых электроэнергетических установках, уделено относительно мало внимания.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕТРОДВИГАТЕЛЯХ

Ветродвигателем называется машина-двигатель, преобразующая энергию воздушного потока, т. е. ветра, в механическую энергию вращающихся лопастей, которая при помощи редукторов и передаточных механизмов передается к машинам-производителям.

Промышленностью выпускаются ветродвигатели двух типов: тихоходные многолопастные и быстроходные малолопастные. Отличительной особенностью тихоходных многолопастных ветродвигателей является способность их трогаться с места, т. е. начинать работать с подключенной нагрузкой при сравнительно слабом ветре, что объясняется наличием большого/ крутящего момента. Эти двигатели хорошо используют малые скорости ветров, но плохо поддерживают постоянное число оборотов, поэтому они не могут применяться там, где требуется постоянство числа оборотов, как, -например, для электроосвещения, но хорошо работают на приводе поршневых насосов с постоянным включением нагрузки. Из-за громоздкости ветроколеса тихоходные ветродвигатели не могут быть изготовлены мощными. К ним"относятся УТВ-5, ТВ-8, ТВМ-8 и выпускаемый новый облегченный ветродвигатель УВД-8.

Второй тип ветродвигателей — это быстроходные малолопастные, имеющие ветроколесо с 2—3 лопастями. Они могут быть больших размеров и мощностей, вплоть до ветроколеса диаметром в 50 м. Благодаря возможности сравнительно хорошего регулирования числа оборотов эти двигатели, применяются для электрификации и механизации. Для механизации животноводческих ферм промышленностью выпускаются ветродвигатели Д-12 и Д-18. Кроме того, выпускаются маломощные двигатели
с диаметром ветроколеса от 1 до 3,5 м для освещения малых помещений и зарядки аккумуляторов.

Коснемся здесь описания ветродвигателей, предназначенных для водоснабжения и механизации животноводческих ферм.

Руководство по ветроэнергетике

Руководство по ветроэнергетике
This page in English is here

В 2001 году Интерсоларцентр совместно с партнерами по ОПЭТ (ETSU и WREAN, Англия) подготовил руководство по применению малых и средних ветроэнергетических установок.

За основу было принято руководство, подготовленное ETSU и WREAN. Это руководство (на английском языке) Вы можете сгрузить по этой ссылке


Руководство на русском языке, адаптированное для российского читателя, вы можете сгрузить по этой ссылке

Оба руководства в формате pdf. Для чтения Вам нужен Adobe Acrobat Reader.

Запоет ли в России "Жаворонок"?

Автор: Алла Прохорова

Потребности регионов в энергоснабжении за счет автономных источников электроэнергии не только не уменьшаются, но и продолжают расти. По оценкам специалистов в области возобновляемых источников энергии, на сегодняшний день ветроэнергетика является самым экономически эффективным из всех направлений. И как следствие, во всем мире и в нашем отечестве в том числе, ветроэнергетика является самым развитым сегментом рынка возобновляемых источников электроэнергии. Тем не менее, как считает профессор В. А. Добровольский, сетевой ветроэнергетики в России нет. В то же время в России практически отсутствуют сдерживающие производственные и экологические факторы, препятствующие развитию производства автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности и поэтому предложение этих агрегатов на отечественном рынке достаточно широкое.



Крыльчатые и карусельные

Еще в 40-е годы, когда вопросами ветроэнергетики пытались заниматься основательно, в России было создано много различных аэродинамических схем ветродвигателей. Все ветродвигатели используют один и тот же принцип работы - вращение колеса с лопастями под напором ветра передает крутящий момент через систему передач валу электрогенератора, который и вырабатывает электроэнергию. Прародители современных ветродвигателей - старые мельничные ветровые колеса были весьма неэффективными, с коэффициентом использования энергии ветра на уровне всего 0,14. В настоящее время у зарубежных ветроэлектроагрегатов этот коэффициент составляет от 0,35 до 0,50. У отечественных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра равен 0,40-0,45. Напомним, что по расчетам Н. Е. Жуковского предельная величина этого коэффициента составляет 0,593 (идеальный ветродвигатель, работающий без потерь).

В настоящее время используются ветрогенераторы двух типов: с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной осью вращения (карусельные), которые в свою очередь подразделяются на лопастные и ортогональные. Наибольшее распространение получили крыльчатые ветродвигатели (на них приходится около 95% всех эксплуатируемых ветроустановок). И это не случайно. У некоторых моделей крыльчатых ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра достигает 0,5. Правда, достигается это только тогда, когда поток воздуха перпендикулярен к плоскости вращения лопастей-крыльев, но этот недостаток преодолевается с помощью специального устройства, которое автоматически поворачивает ось вращения, устанавливая ветроколесо на ветер и уводит от ветра при штормах.

У самых эффективных моделей с вертикальной осью вращения этот коэффициент не превышает 0,32-0,35. Очевидно, что при современном уровне развития науки и техники это отставание никак не может быть компенсировано другими их достоинствами, такими, например, как удобство компоновки (весь механизм ветроагрегата расположен внизу) и независимость от направления ветра (они могут работать при любом направлении ветра).
Автономная ветроэнергетика в России

Отсутствие сетевой ветроэнергетики в России при очевидной необходимости использования энергии ветра, а также вполне благоприятных климатических условиях, объясняется в основном финансовыми проблемами. Ни федеральные, ни местные власти не соглашаются вкладывать большие деньги в проекты и программы, полезная отдача которых проявится через 10-15 лет. Поэтому многие проекты создания ветроэлектрических станций мощностью несколько мегаватт, разработанные на бумаге, так и остаются проектами.

Несколько иная ситуация складывается у нас с автономной ветроэнергетикой. Несмотря на экономические трудности, которые испытывали машиностроительные предприятия и конструкторские бюро, в последнее десятилетие работы по созданию ветроагрегатов мощностью до 10 кВт не прекращались. И объясняется это следующими факторами.

Выявились потребности в автономном ветроэнергетическом оборудовании со стороны сельскохозяйственных предприятий, фермерских хозяйств, хуторов, небольших рабочих и сельскохозяйственных поселков, промышленных объектов малой мощности, старательных артелей, приисков и т. п. как в районах с децентрализованным электроснабжением, так и в регионах, подверженных аварийным или ограничительным отключениям. Следует подчеркнуть, что как правило это крайне слабо информированный потребитель, который далеко не всегда представляет возможности ветроэнергетики, ее преимущества и недостатки.

Особый интерес к разработкам и производству ВЭУ проявили оборонные предприятия. Активный всплеск этого интереса связан с резким сокращением государственных заказов и необходимостью конверсии военной промышленности.

Разработка и производство современных ветроустановок является производством наукоемким и высокотехнологичным и вполне естественно, что некоторые оборонные предприятия с их высоким техническим потенциалом и квалифицированными специалистами выбрали это в качестве направления деятельности.

Можно привести примеры успешной конверсии. Так, Государственный Ракетный центр "КБ имени академика В. П. Макеева" с 1998 года приступил к выполнению НИОКР по созданию ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, и в 2001 году были созданы опытные образцы установки ВЭУ-30 для обеспечения автономной электроэнергией мощностью до 30 кВт.

НПО "Элсиб" разработало и предлагает ветроэнергетическую установку ВЭС-10ТМ мощностью до 300 кВт, предназначенную для снабжения электроэнергией потребителей, как удаленных от систем централизованного электроснабжения, так и находящихся в зоне их действия в качестве аварийного источника электроэнергии.

ФГУП "ГМКБ 'Радуга'" в рамках конверсионной программы разработало широкий спектр ветроэнергетических установок мощностью от 700 Вт до 1000 кВт, среди которых хочется отметить автономные ветроэнергетические установки "Радуга-001" и "Радуга-008", мощностью 1 и 8 кВт соответственно и предназначенные для производства электроэнергии и выдачи ее потребителю.

ОАО "Долина", крупное машиностроительное предприятие Оренбургской области, освоило и выпускает ветроэнергетические установки ВЭУ-2 и ВЭУ-5, предназначенные для автономного и резервного энергоснабжения потребителей.

НПО "Электросфера" разработало и провело испытания ветроэнергетической установки "Муссон Ф-30", созданной исключительно для российских условий и сориентированной на российских потребителей и производителей. При разработке этой установки были учтены особенности климата и погодные условия Российской Федерации, в частности, скорость ветра (рабочий диапазон скорости ветра в этой установке 3,5 м/сек.).

И эти примеры можно было бы продолжить.

Мобильные ветроустановки

Следует отметить, что и автономные и сетевые ветроустановки являются конструкциями стационарными, башни устанавливаются на фундаменте или укрепляются тросовыми растяжками. Но в отдаленных районах могут возникать трудности со строительством фундамента, подвозом строительных материалов, а также монтажом оборудования. Для районов с неразвитой инфраструктурой и дорожной сетью наилучшим выходом из положения была бы мобильная ветроустановка, и не просто ветроустановка, а автономный агрегат, обеспечивающий гарантированное электроснабжение. Именно такая ветроустановка с нежным названием "Жаворонок" была разработана и создана в ФГУП "Московский институт теплотехники" (МИТ), занимавшимся мобильными системами вооружения, в частности, ракетным комплексом "Тополь".

Вопрос гарантированного электроснабжения в установке был решен подсоединением дополнительного источника электроэнергии, который должен обеспечивать потребителя электроэнергией при отсутствии ветра. В качестве резервного источника используется автоматизированный дизельагрегат мощностью 30 кВт (как и мощность самой установки) производства ОАО "Барнаултрансмаш", укомплектованный курским электрогенератором (ОАО "Электроагрегат").

Проблема мобильности ветроустановки была решена следующим образом: весь комплекс, включая саму ветроустановку, систему управления, резервное электроснабжение, был укомпонован в 12-метровый контейнер. Контейнеры с такими габаритами обычно используются для перевозки грузов автотранспортом и на железной дороге, морским, речным и даже авиационным транспортом. В сложенном виде ветроустановка полностью вместе с лопастями ветроколеса и башней размещается в 12-метровом контейнере. Правда контейнер не стандартный, он разрабатывается специально под эту установку.

Вся установка является высокоавтоматизированным комплексом, поскольку, как подчеркнул руководитель проекта Валерий Киселев, "высокий уровень автоматизации - кредо нашего института". После покупки и доставки на место эксплуатации, потребитель должен запустить дизельный агрегат, потом нажатием определенной кнопки пульта управления автоматически открывается крыша контейнера, и далее следует единственная ручная операция, да и она сведена до минимума усилий, - разворачивание двух лопастей ветроагрегата. Каждая из них на шарнирах закреплена одним болтом, лопасти нужно развернуть и закрепить еще одним болтом,? третья уже закреплена. Далее подсоединяются провода управления, нажимается другая кнопка и башня как ракета становится вертикально. По датчику ветроустановка ориентируется на направление ветра и начинает работу, т. е. начинает раскручиваться и доходит до номинальных оборотов - 80 об./мин.

Пусковая скорость ветра у ветроагрегата составляет 5 м/сек., номинальной мощности (30 вКт) он достигает при скорости ветра 9,2 м/сек. и более. Если скорость ветра падает до отметки 5 м/сек., то автоматически в работу включается дизельная установка и потребитель получает положенную мощность. При промежуточных скоростях ветра недостающую мощность ветроагрегата добавляет дизель, но система отлажена таким образом, чтобы с ветроагрегата снималась максимально возможная мощность.

Рабочий диапазон скоростей ветра составляет от пусковой 5 м/сек. до 25 м/сек. При этом установка рассчитана на буревой ветер до 50 м/сек. Конечно, при таком ветре она работать не будет, но потребитель будет получать электроэнергию от дизельной установки.

Как подчеркивает Валерий Киселев, "в плане кооперации собраны профессионалы высокого класса. Например, лопасти лучше всех могут сделать производители вертолетов. Хотя лопасти ветроустановки и отличаются от лопастей вертолета, но, учитывая существующие технологии и высокую квалификацию 'вертолетчиков', сделать лопасти с заданными параметрами и провести их испытания для них не представляет сложности. Системы управления проектируют и создают в Научно-производственном центре автоматики и приборостроения, который проектировал и создавал системы управления для ракетной и космической техники и т. д."

Важнейшими направлениями использования ветроустановок "Жаворонок" (автономного мобильного ветроэнергетического комплекса) является снабжение электроэнергией сезонных и временных народнохозяйственных объектов. Разработчики рассчитывают, что потребителями ветроустановки будут удаленные населенные пункты, строительные и промышленные объекты, лесозаготовки, районы добычи полезных ископаемых, прокладки и ремонт линий электропередач, нефтегазопроводов, строительство и ремонт дорог, геологические и исследовательские партии, научные дрейфующие станции и прочее. В сельском хозяйстве комплекс "Жаворонок" может быть использован для подъема и подачи воды, тепло-, электро- и теплоснабжения теплиц, мастерских, полевых станов, выездных сельскохозяйственных пунктов машинного доения, последующей переработки молока и получения молочных продуктов на месте, стрижки овец и т. п. При этом можно использовать все виды транспорта, начиная от контейнеровозов.

Вес агрегата, в зависимости от комплектации составляет от 15 до 17 тонн. Ориентировочная цена полной комплектации около 100 тыс. долларов. Как уверяют разработчики, аналогичные немецкие установки стоят почти в два раза дороже. Использовать ветроустановки можно по договорам аренды или лизинга, ведь никакой другой ветряк нельзя сдвинуть с места, а этот можно. Учитывая ограниченную покупательную способность в России, это достаточно перспективная форма взаимоотношений.
Резюме

Анализ предложения и спроса ветроэнергетических установок позволяет сделать вывод, что отечественные производители в состоянии предложить нашим потребителям автономные ВЭУ малой мощности, которые по своим техническим характеристикам вполне способны удовлетворить их запросы, но цена электроэнергии, выработанной этими ветроустановками будет значительно превышать цену сетевой электроэнергии. Это, пожалуй, основное препятствие на пути развития рынка ветроэнергетического оборудования малой мощности. Преодолеть разрыв между предложением и платежеспособным спросом можно, если отечественные производители будут направлять свои усилия на улучшение не только технических, но и экономических характеристик ВЭУ, что им, судя по их научно-техническому и производственному потенциалу, вполне по плечу.

Источник: Оборудование #6(66), июнь 2002

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Ветер возникает на Земле при неравномерном нагреве ее поверхности Солнцем. В течение дня воздух над большими водными поверхностями остается сравнительно холодным, так как большая часть энергии солнечного излучения расходуется на испарение воды или же поглощается ею. Над сушей, которая меньше поглощает солнечные лучи, чем вода, воздух нагревается в течение дня больше, он расширяется, становится легче и поднимается вверх. Его заменяет более плотный холодный воздух, расположенный над водой. Так в прибрежной зоне возникают бризы.

В течение ночи их направление над прибрежными водами меняется на обратное, так как суша охлаждается быстрее воды и соответственно снижается температура расположенного над ней воздуха. Холодный воздух, движущийся к морю, вытесняет нагретый, который поднимается с поверхности воды. Аналогично наблюдаются бризы со стороны гор в течение дня, когда теплый воздух поднимается вдоль склона, нагретого Солнцем. Ночью сравнительно холодный воздух на склона стекает в долины.

Подобная циркуляция воздушных масс в земной атмосфере наблюдается при большем нагреве поверхности Земли вблизи экватора, чем в районах полюсов. Ветер над холодной поверхностью, дующий от полюсов к экватору, замещает горячий воздух, который поднимается в тропиках и перемещается в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсам.

Вращение Земли также влияет на циркуляцию ее воздуха. Силы инерции, которые действуют на холодный воздух, движущийся вблизи поверхности по направлению к экватору, стремятся закрутить его в западном направлении. В то же время тяжелый воздух, движущийся в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсу, имеет тенденцию к повороту на восток. Эта циркуляция воздуха на большом пространстве вокруг зоны пониженного давления происходит в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки в северном полушарии, и по часовой стрелке—в южном. Так как ось вращения Земли наклонена под углом 23,5° к плоскости ее вращения вокруг Солнца, то сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от Солнца, зависят от изменений в эти периоды скорости и направления ветра на данном участке земной поверхности.

Энергия, которая непрерывно поступает от Солнца и преобразуется в кинетическую энергию ветровых потоков на Земле, соответствует, по оценкам, суммарной мощности свыше 1011 ГВт. Исходя из этого комиссия экспертов организации National Science Foundation (NSF) и Управление National Aeronautics and Space Administration (NASA) в 1972 г. оценила потенциальные ресурсы («запасы») энергии ветра над континентальной частью США, Алеутскими островами и Восточным побережьем эквивалентными примерно 105 ГВт электрической мощности. Это более чем в 30 раз превышает суммарные энергетические потребности США в 1980 г. и более чем в 100 раз электрическую энергию, вырабатываемую в США в настоящее время.

Ветроэнергетика

Из различных альтернативных технологий производства энергии, наилучшие перспективы в среднесрочном плане просматриваются у ветроэнергетических систем. На протяжении большей части прошлого столетия их использовали, главным образом, в отдаленных районах, не подключенных к центральной сети энергоснабжения. Ситуация резко изменилась в начале 70-тых, когда разразился "энергетический кризис" и цены на нефть буквально взлетели. Именно в те времена отношение к ветряным электростанциям радикально изменилось - их стали воспринимать как серьезный источник энергии. Это создало стимул для развития технологий, появились новые конструкции ветряных турбин, и самое главное - снизилась стоимость их производства. Дополнительную мотивацию для дальнейшего развития отрасли обеспечили власти Калифорнии - в этом штате была введена льготная система налогообложения. В настоящее время суммарная мощность всех ветряных электростанций в мире составляет уже около 25 ГВт. Большая их часть расположена в Калифорнии и в Дании. В Канаде их использование по-прежнему сосредоточено в отдаленных районах, однако на юге Альберты уже начинается реализация проектов строительства ветряных электростанций, которые будут включены в общую сеть поставок электроэнергии.

Прогресс в сфере технологий обеспечивает быстрое снижение стоимости таких систем - одновременно увеличивается и их надежность в эксплуатации. Средняя стоимость энергии, генерируемой ветряными турбинами, уменьшилась с 15-20 цент/кВт-ч в 80-тых до 7-9 цент/кВт-ч в настоящее время. Это уже сопоставимо с уровнем затрат электростанций, использующих ископаемое топливо, и дешевле, чем производство энергии западными атомными электростанциями. Такого резкого снижения затрат удалось добиться, главным образом, за счет увеличения надежности ветряных турбин - современные установки можно эксплуатировать 95-98% времени.

В современных турбинах используются два типа конструкции - на горизонтальной или вертикальной осях. Несмотря на различную форму, основные механизмы этих двух систем не имеют различий принципиального характера. Кинетическая энергия ветра передается лопастям турбин, а затем через трансмиссию - электрическому генератору. Трансмиссия нужна для того, чтобы обеспечить наиболее эффективное функционирование генератора во всем диапазоне изменения скорости ветра. В соответствии с новейшими тенденциями, оптимальной считается классическая датская концепция - конструкция с тремя лопастями и ротором, размещенным с той стороны башни, откуда дует ветер. Перемещение системы в нужное положение при изменении направления ветра осуществляется электродвигателями.

Размеры современных турбин варьируются в широком диапазоне: от небольших - мощностью 100 Вт, предназначенных для энергоснабжения отдельных жилых домов или коттеджей, до огромных установок с диаметром лопастей до 50 м, способных генерировать более 1МВт электроэнергии. В настоящее время промышленность преимущественно выпускает турбины, установленные на горизонтальных осях, с тремя лопастями диаметром 15-30 м. Мощность таких турбин составляет 50-350 кВт; их часто группируют в "ветряные фермы", поставляющие энергию в централизованную сеть. В Канаде, где имеются обширные территории с весьма умеренной скоростью ветра, предпочитают использовать турбины на вертикальных осях - при слабых ветрах они функционируют эффективнее.
Для эффективного функционирования турбин огромное значение имеет место их размещения. В общем случае, скорость ветра увеличивается с высотой. Поэтому большую часть турбин располагают на вышках, хотя их высота обычно не превышает 30 м - из-за ограничений, которые связаны с прочностью доступных материалов. На ветряных электростанциях турбины обычно располагают друг от друга на расстоянии 5-15 диаметров лопастей. Эта дистанция необходима, чтобы избежать воздействия турбулентности, возникающей при прохождении ветра через каждую из турбин, на функционирование остальных.

В настоящее время ветряные электростанции интенсивно используются в четырех основных сферах:

* Энергоснабжение в отдаленных районах, в которых маленькие ветряные установки часто оказываются самыми недорогими источниками энергии. Турбины для этих систем имеют весьма простую конструкцию и могут долгое время функционировать без человеческого вмешательства даже в суровых климатических условиях. Обычно их применяют для поддержки телекоммуникаций, энергоснабжения жителей сельской местности и на водонасосных станциях. В отдаленных районах более чем 70 стран установлены маленькие ветряные турбины американского производства.

* Централизованная сеть местного уровня, где ее функции состоят в обеспечении энергией расположенных поблизости жилых домов, ферм и предприятий. Поскольку в среднем ветряная турбина генерирует электричество только 25-30% времени, это важный источник энергии в регионах, где ветры зависят от сезона или где системы хранения энергии экономически нецелесообразно подключать к коммунальной сети.

* Энергоснабжение в регионах, где ветряные электростанции могут представлять важный источник энергии для централизованной сети. Например, на холмах Южной Калифорнии установлены тысячи таких турбин.

* Гибридные системы. В отдаленных районах ветряные электростанции часто включают в дополнительные системы генерирования энергии - дизельные генераторы и солнечные батареи. Такие гибридные системы обеспечивают повышенную надежность энергоснабжения и эксплуатационную гибкость.

* По оценкам промышленных экспертов, многие страны, включая США, Великобританию и Данию, легко могли бы обеспечивать 20-40% своих потребностей в электроэнергии за счет ветряных турбин. По мнению аналитиков, в течение ближайших нескольких лет суммарная по миру мощность ветряных электростанций будет увеличиваться со скоростью 20-25% в год. Этот рост будет происходить за счет реализации новых проектов. Перспективы рынка альтернативных источников этого типа становятся настолько привлекательными, что даже крупнейший в мире производитель газовых турбин - группа General Electric - приняла решение расширить свою деятельность в этом направлении. Недавно группа приобрела у обанкротившейся Enron ее дочернюю фирму, которая специализируется на производстве оборудования для ветряных электростанций. Эта компания занимает четвертое место в мире по объему производства ветряных турбин.